JP5481665B2 - Multi-junction solar cell - Google Patents

Multi-junction solar cell Download PDF

Info

Publication number
JP5481665B2
JP5481665B2 JP2009227174A JP2009227174A JP5481665B2 JP 5481665 B2 JP5481665 B2 JP 5481665B2 JP 2009227174 A JP2009227174 A JP 2009227174A JP 2009227174 A JP2009227174 A JP 2009227174A JP 5481665 B2 JP5481665 B2 JP 5481665B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
junction
solar cell
doped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009227174A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011077293A (en
Inventor
嘉貴 森安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei EMD Corp
Original Assignee
Asahi Kasei EMD Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei EMD Corp filed Critical Asahi Kasei EMD Corp
Priority to JP2009227174A priority Critical patent/JP5481665B2/en
Publication of JP2011077293A publication Critical patent/JP2011077293A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5481665B2 publication Critical patent/JP5481665B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

本発明は、多接合型太陽電池に関し、より詳細には、中間ナローバンドギャップ層をトンネル接合領域に有する多接合型太陽電池に関する。   The present invention relates to a multi-junction solar cell, and more particularly to a multi-junction solar cell having an intermediate narrow band gap layer in a tunnel junction region.

太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器で、太陽電池の内部に入射した太陽光のエネルギーが、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力するものである。現在の一般的な太陽電池は、ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造、すなわち、ｐｎ接合型ダイオード（フォトダイオード）の構造を有している。   A solar cell is a power device that uses the photovoltaic effect to convert light energy directly into electric power. Solar energy incident on the inside of the solar cell is directly absorbed by electrons, It is guided to the provided electric field and is output to the outside of the solar cell as electric power. The present general solar cell has a structure in which p-type and n-type semiconductors are joined, that is, a pn junction type diode (photodiode).

このような太陽電池は、クリーンエネルギー源として注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コストが高いことが実用化の大きな障害となっている。   Such a solar cell is attracting attention as a clean energy source, but its high power generation cost compared to existing commercial power sources is a major obstacle to practical use.

太陽電池の発電コストを低くするためには、発電効率を高くすることが重要な要素であり、これを実現するため接合型太陽電池の開発が行われている。この接合型太陽電池は、吸収波長域の異なるセル層を複数接合させた構造をしている。具体的には、太陽光の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料より成るセル層、その下部にバンドギャップの小さな半導体材料より成るセル層を配置している。上部のセル層では太陽光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電変換され、下部のセル層では上部のセル層で吸収されず透過した残りの長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換するように構成され、太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。   In order to reduce the power generation cost of a solar cell, it is an important factor to increase the power generation efficiency, and a junction type solar cell has been developed to realize this. This junction type solar cell has a structure in which a plurality of cell layers having different absorption wavelength ranges are joined. Specifically, a cell layer made of a semiconductor material having a large band gap is arranged on the sunlight incident side (upper part), and a cell layer made of a semiconductor material having a small band gap is arranged below the cell layer. The upper cell layer absorbs light in the short wavelength region of the solar spectrum, and the light is photoelectrically converted, and the lower cell layer absorbs the remaining long wavelength solar spectrum that is not absorbed by the upper cell layer and transmitted. It is configured to perform photoelectric conversion by using solar light, and solar energy can be effectively converted into electric energy by dividing and using the spectrum of sunlight.

例えば、特許文献１には、ＩｎＧａＰセル層と、ＧａＡｓセル層とＧａＩｎＮＡｓセル層を第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの２接合型太陽電池が開示されている。また、非特許文献１にはＩｎＧａＰセル層とＩｎＧａＡｓセル層とＧｅセル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a three-junction solar cell in which an InGaP cell layer, a GaAs cell layer, and a GaInNAs cell layer are connected using first and second tunnel junction layers. Patent Document 2 discloses a GaAs and InGaP two-junction solar cell. Non-Patent Document 1 discloses a three-junction solar cell in which an InGaP cell layer, an InGaAs cell layer, and a Ge cell layer are connected using first and second tunnel junction layers.

図１は、非特許文献１に記載されている従来のトンネル型３接合太陽電池を説明するための構成図で、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型太陽電池が示されており、裏面電極１と、ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層２と、Ｓｉドープの（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層３と、第２のトンネル接合層４と、ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層５と、第１のトンネル接合層６と、ＩｎＧａＰからなる上部セル層７と、コンタクト層（ｎ（Ｉｎ）ＧａＡｓ）８と、表面電極９とで構成されている。   FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a conventional tunnel-type three-junction solar cell described in Non-Patent Document 1, in which an InGaP / InGaAs / Ge three-junction solar cell is shown. A lower cell layer 2 including a p-type Ge substrate, a buffer layer 3 made of Si-doped (In) GaAs, a second tunnel junction layer 4, an intermediate cell layer 5 made of InGaAs, and a first tunnel A junction layer 6, an upper cell layer 7 made of InGaP, a contact layer (n (In) GaAs) 8, and a surface electrode 9 are formed.

このうち、化合物半導体積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的である。これを通常の半導体プロセスで必要なデバイス形状に加工した後、反射防止膜１０と表面電極９とを形成して３接合型太陽電池が構成されている。   Of these, the chemical vapor deposition method (MOCVD method), the molecular beam epitaxy method (MBE method) and the like are generally used for forming the compound semiconductor multilayer film. After processing this into a required device shape by a normal semiconductor process, an antireflection film 10 and a surface electrode 9 are formed to constitute a three-junction solar cell.

このうち、下部セル層２は、ｐ型Ｇｅ基板２１とｎ型Ｇｅ層２２からなり、第２のトンネル接合層４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層４２とからなり、中間セル層５は、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層５１とＺｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層５２とＳｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層５３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層５４とからなっている。   Among these, the lower cell layer 2 includes a p-type Ge substrate 21 and an n-type Ge layer 22, and the second tunnel junction layer 4 includes an Si-doped n-type InGaP layer 41, a C-doped p-type AlGaAs layer 42, and the like. The intermediate cell layer 5 includes a Zn-doped p-type InGaP layer 51, a Zn-doped p-type (In) GaAs layer 52, a Si-doped n-type (In) GaAs layer 53, and a Si-doped n-type AlInP layer 54. It is made up of.

また、第１のトンネル接合層６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層６２とからなり、上部セル層７は、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層７１とＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層７２とＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層７３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層７４とからなっている。   The first tunnel junction layer 6 is composed of a Si-doped n-type InGaP layer 61 and a C-doped p-type AlGaAs layer 62, and the upper cell layer 7 is composed of a Zn-doped p-type AlInP layer 71 and a Zn-doped AlInP layer 71. It consists of a p-type InGaP layer 72, a Si-doped n-type InGaP layer 73, and a Si-doped n-type AlInP layer 74.

特開平１１−２１４７２６号公報JP-A-11-214726 特開平１１−１２１７７４号公報JP-A-11-121774

「High efficiency InGaP/InGaAs tandem solar cells on Ge substrates」 T. Takamoto, T. Agui, E. Ikeda. Photovoltaic Specialists Conference 2000, conference record of 28 th IEEE, pp.976-981.“High efficiency InGaP / InGaAs tandem solar cells on Ge substrates” T. Takamoto, T. Agui, E. Ikeda. Photovoltaic Specialists Conference 2000, conference record of 28 th IEEE, pp.976-981.

しかしながら、上述した特許文献１に示すような接合型太陽電池で高い光電変換をえるためには、各セルのバンドギャップを最適化し、入射光のエネルギーを損失無く電気エネルギーに変換することはもとより、セル内部での素子抵抗による発熱損失や電極抵抗による損失を減らすことも重要である。   However, in order to obtain high photoelectric conversion in the junction solar cell as shown in Patent Document 1 described above, the band gap of each cell is optimized and the incident light energy is converted into electric energy without loss, It is also important to reduce heat loss due to element resistance inside the cell and loss due to electrode resistance.

上述した非特許文献１に記載されている３接合太陽電池では、各々の太陽電池セル間を低抵抗で、かつ光学的な損失が出来るだけ少なく接続するために、トンネル接合が用いられている。これは極めて高濃度にドーピングした半導体層からなるｐｎ接合を利用し、量子力学的にトンネル電流が流れることを使って各セル間を電気的に接続するものである。この方法によれば、金属層などを使って接続する方法と比べると、基板上に太陽電池セルとトンネル接合を連続で成長出来るため作成工程が簡単になるばかりでなく、光学的な損失の少ない接合が形成できるとしている。   In the three-junction solar cell described in Non-Patent Document 1 described above, a tunnel junction is used to connect each solar cell with low resistance and as little optical loss as possible. This uses a pn junction made of a semiconductor layer doped at a very high concentration, and electrically connects the cells by using a tunnel current flowing quantum mechanically. According to this method, as compared with the method of connecting using a metal layer or the like, the solar cell and the tunnel junction can be continuously grown on the substrate, so that the production process is simplified and the optical loss is small. It is said that a bond can be formed.

しかしながら、これらの特性を実現するために、構造上の制約がある。例えば、非特許文献１（図１）において良好な第１のトンネル接合層６を形成するには、下部に透過する光の吸収損失を少なくするために、中間セル層５よりもバンドギャップの広い半導体を用いることが望ましい。また、ｐ型層６２においてはフェルミレベルが価電子帯の上端付近まで下がっていること、ｎ型層６１においてはフェルミレベルが伝導帯の下端付近まで上がっていること、すなわち、それぞれ不純物濃度が十分に高いことが必要である。   However, there are structural constraints to achieve these characteristics. For example, in order to form a favorable first tunnel junction layer 6 in Non-Patent Document 1 (FIG. 1), the band gap is wider than that of the intermediate cell layer 5 in order to reduce the absorption loss of light transmitted through the lower portion. It is desirable to use a semiconductor. Further, in the p-type layer 62, the Fermi level is lowered to the vicinity of the upper end of the valence band, and in the n-type layer 61, the Fermi level is raised to the vicinity of the lower end of the conduction band. It is necessary to be high.

一方、トンネル接合と接触する上部セルのｐ型層７１においても、同様の理由で中間セル層５よりもバンドギャップの広い半導体を用いること、正孔電流にとって障壁にならないためにｐｎ接合のｐ型層７２と価電子帯オフセットが出来るだけ小さいこと、電子のオーバーフローを防止するためにｐｎ接合のｐ型層７２と伝導帯のオフセットが大きいこと、などが望まれる。   On the other hand, the p-type layer 71 of the upper cell in contact with the tunnel junction also uses a semiconductor having a wider band gap than the intermediate cell layer 5 for the same reason, and does not become a barrier for hole current, so that the p-type of the pn junction is used. It is desired that the valence band offset with the layer 72 is as small as possible, and that the conduction band offset between the p-type layer 72 of the pn junction and the conduction band is large in order to prevent an overflow of electrons.

また、これらの各ヘテロ成長界面にミスフィット転位などの欠陥や界面準位などが発生すると、少数キャリア寿命が減少し、太陽電池の効率の低下につながる。更に進めば貫通欠陥としてリーク電流の原因になり、発電機能を全く失ってしまう。そのため各々の格子定数などは出来るだけ整合させることが望ましい。   In addition, when defects such as misfit dislocations or interface states occur at each of these hetero-growth interfaces, the minority carrier lifetime is reduced, leading to a reduction in the efficiency of the solar cell. Further progress causes leakage current as a penetrating defect, and the power generation function is completely lost. Therefore, it is desirable to match each lattice constant as much as possible.

しかしながら、一般的にこれらの要求を全て満足する構造を作製することは困難である。例えば、トンネル接合層のｎ型層６１でバンドギャップを広くするためにＧａの組成を増やせば、接触している中間セル層のＡｌＩｎＰ層５４や基板として用いているＧｅとの格子ミスマッチが大きくなる。また、不純物量を増やせば、欠陥密度の増加や不純物によるイオン散乱などによって少数キャリア寿命の低下を招き、発電効率の低下に繋がるばかりでなく、成長中のオートドーピングが起こって所望の構造が作れない危険性も高くなるなどの問題が生じる。   However, it is generally difficult to produce a structure that satisfies all these requirements. For example, if the Ga composition is increased in order to widen the band gap in the n-type layer 61 of the tunnel junction layer, the lattice mismatch with the AlInP layer 54 of the intermediate cell layer in contact with the Ge used as the substrate increases. . Increasing the amount of impurities not only leads to a decrease in minority carrier lifetime due to an increase in defect density and ion scattering due to impurities, leading to a decrease in power generation efficiency, but also auto-doping during growth, and a desired structure can be created. There will be problems such as high risk.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バンドギャップエネルギーの小さい層をトンネル接合領域に有して光電変換効率を大幅に改善するようにした多接合型太陽電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a multijunction having a layer having a small band gap energy in a tunnel junction region so as to greatly improve photoelectric conversion efficiency. It is to provide a solar cell.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、前記ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、該トンネル接合層中に、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間ナローバンドギャップ層）を含み、前記化合物半導体層がＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂであることを特徴とする。 The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is directed to a multijunction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series. Are connected via a tunnel junction layer, and in the tunnel junction layer, a compound semiconductor layer (intermediate) having a smaller band gap energy than a compound semiconductor forming a pn junction below the tunnel junction. look including a narrow band gap layer), the compound semiconductor layer is characterized in that it is a InSb or AlInSb.

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記中間ナローバンドギャップ層の厚さが、６Å以上１００Å以下であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the intermediate narrow band gap layer has a thickness of 6 mm to 100 mm.

本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、このトンネル接合層が、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間ナローバンドギャップ層）を含んでいることによって、結晶欠陥などに由来する貫通転位の発生を抑止することが出来、また各太陽電池セル間を低抵抗で接続できるため、光電変換効率を大幅に改善することができる。   According to the present invention, in a junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series, the pn junctions are connected via the tunnel junction layer, and the tunnel junction layer is more than the tunnel junction. By including a compound semiconductor layer (intermediate narrow band gap layer) having a smaller band gap energy than the compound semiconductor forming the pn junction in the lower layer, generation of threading dislocations derived from crystal defects and the like is suppressed. In addition, since the solar cells can be connected with low resistance, the photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.

非特許文献１に記載されている従来のトンネル型３接合太陽電池を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the conventional tunnel type | mold 3 junction solar cell described in the nonpatent literature 1. FIG. 本発明の多接合型太陽電池の一実施例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating one Example of the multijunction type solar cell of this invention. 本発明の中間ナローバンドギャップ層を有するトンネル接合層と従来のトンネル接合層とを比較する説明図で、（ａ）は従来のトンネル接合層、（ｂ）は本発明のトンネル接合層を示している。FIG. 2 is an explanatory diagram for comparing a tunnel junction layer having an intermediate narrow band gap layer of the present invention with a conventional tunnel junction layer, wherein (a) shows a conventional tunnel junction layer and (b) shows a tunnel junction layer of the present invention. .

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図２は、本発明の多接合型太陽電池の一実施例を説明するための構成図で、この多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 is a block diagram for explaining an embodiment of the multi-junction solar cell of the present invention. This multi-junction solar cell is a multi-junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series. It is a battery.

本発明の多接合型太陽電池は、裏面電極１１が形成されたｐ型Ｇｅ基板に下部セル層１２が形成される。これにはｐ型のＧｅ基板にｎ型のドーパントを、イオン打ち込みを行うか熱拡散するなどの方法によってｐｎ接合を形成することが一般的に行われる。この下部セル層１２上にＳｉドープしたｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層１３と、このバッファ層１３上に設けられた第２のトンネル接合層１４と、この第２のトンネル接合層１４上に設けられたＩｎＧａＡｓからなるｐｎ接合を含む中間セル層１５と、この中間セル層１５上に設けられた第１のトンネル接合層１６と、この第１のトンネル接合層１６上に設けられたＩｎＧａＰからなるｐｎ接合を含む上部セル層１７と、この上部セル層１７上に設けられたｎ型コンタクト層（ｎ（Ｉｎ）ＧａＡｓ）１８が形成されている。これらの化合物半導体積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的である。これを通常の半導体プロセスで必要なデバイス形状に加工した後、反射防止膜２０と表面電極１９とを形成して３接合型太陽電池が構成されている。   In the multi-junction solar cell of the present invention, the lower cell layer 12 is formed on the p-type Ge substrate on which the back electrode 11 is formed. For this purpose, a pn junction is generally formed on the p-type Ge substrate by ion implantation or thermal diffusion of an n-type dopant. A buffer layer 13 made of n-type (In) GaAs doped with Si on the lower cell layer 12, a second tunnel junction layer 14 provided on the buffer layer 13, and the second tunnel junction layer 14 An intermediate cell layer 15 including a pn junction made of InGaAs, a first tunnel junction layer 16 provided on the intermediate cell layer 15, and an InGaP provided on the first tunnel junction layer 16. An upper cell layer 17 including a pn junction and an n-type contact layer (n (In) GaAs) 18 provided on the upper cell layer 17 are formed. In general, chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) is used to form these compound semiconductor stacked films. After processing this into a necessary device shape by a normal semiconductor process, an antireflection film 20 and a surface electrode 19 are formed to constitute a three-junction solar cell.

このうち、下部セル層１２は、ｐ型Ｇｅ基板１２１とｎ型Ｇｅ層１２２からなり、第２のトンネル接合層１４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層1４２とで挟持された第２の中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ層１４ａからなり、中間セル層１５は、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層１５１とＺｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層１５２とＳｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層１５３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層１５４とからなっている。   Among these, the lower cell layer 12 includes a p-type Ge substrate 121 and an n-type Ge layer 122, and the second tunnel junction layer 14 includes a Si-doped n-type InGaP layer 141, a C-doped p-type AlGaAs layer 142, and the like. The intermediate cell layer 15 is composed of a Zn-doped p-type InGaP layer 151, a Zn-doped p-type (In) GaAs layer 152, and a Si-doped n-type layer. It comprises a type (In) GaAs layer 153 and a Si-doped n-type AlInP layer 154.

また、第１のトンネル接合層１６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１６２とで挟持された第１の中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ１６ａからなり、上部セル層１７は、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層１７１とＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層１７２とＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１７３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層１７４とからなっている。   The first tunnel junction layer 16 is made of InSb 16a which is a first intermediate narrow band gap layer sandwiched between the Si-doped n-type InGaP layer 161 and the C-doped p-type AlGaAs layer 162, and the upper cell layer 17 Consists of a Zn-doped p-type AlInP layer 171, a Zn-doped p-type InGaP layer 172, a Si-doped n-type InGaP layer 173, and a Si-doped n-type AlInP layer 174.

つまり、本発明の多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、このトンネル接合層中に、このトンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間バローバンドギャップ層）を含むものである。   That is, the multi-junction solar cell of the present invention is a multi-junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series, and pn junctions are connected via a tunnel junction layer. It includes a compound semiconductor layer (intermediate baro band gap layer) having a smaller band gap energy than the compound semiconductor forming the pn junction below the tunnel junction.

本発明の特徴的な構成である中間ナローバンドギャップ層としては、Ａｓ及び／又はＳｂを含む化合物半導体であり、ＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂなどの化合物半導体層であることが望ましく、具体的にはＩｎＳｂ、ＧａＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。   The intermediate narrow band gap layer that is a characteristic configuration of the present invention is a compound semiconductor containing As and / or Sb, and is preferably a compound semiconductor layer such as InSb or AlInSb. Specifically, InSb, GaSb, Examples include InGaSb, InAlSb, InAs, InGaAs, InAsSb, GaAsSb, and InGaAsSb.

また、トンネル接合中に含まれる化合物半導体層の厚さは、６Å以上１００Å以下であることが望ましい。膜厚が６Åよりも小さいと、後述するような応力を面内に逃す効果が十分に得られない。また膜厚が１００Åよりも厚くなると、中間ナローギャップ層での光吸収によって下層の太陽電池セルに到達する光が減少し、発電効率の低下を招く。   In addition, the thickness of the compound semiconductor layer included in the tunnel junction is desirably 6 to 100 mm. When the film thickness is smaller than 6 mm, the effect of releasing stress in the plane as described later cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the film thickness is greater than 100 mm, light reaching the lower solar cell is reduced by light absorption in the intermediate narrow gap layer, and power generation efficiency is reduced.

通常の多接合型太陽電池においては、光の入射方向に沿って徐々にバンドギャップが小さくなるように化合物半導体が配置される。これは下部の太陽電池セルで吸収させるべき光を、出来るだけ損失の少ない状態で到達させるための配慮である。したがって、太陽電池セル間を接続するトンネル接合にも、下部セルよりもバンドギャップの大きい材料が使用されるのが一般的である。   In an ordinary multi-junction solar cell, a compound semiconductor is arranged so that the band gap gradually decreases along the light incident direction. This is a consideration for allowing the light to be absorbed by the lower solar cells to reach the state with as little loss as possible. Therefore, a material having a larger band gap than that of the lower cell is generally used for the tunnel junction connecting the solar cells.

図３（ａ），（ｂ）は、従来のトンネル接合層と本発明の中間ナローバンドギャップ層を有するトンネル接合層とを比較する説明図で、（ａ）は従来のトンネル接合層、（ｂ）は本発明のトンネル接合層を示している。   3A and 3B are explanatory views for comparing a conventional tunnel junction layer and a tunnel junction layer having an intermediate narrow band gap layer of the present invention, in which FIG. 3A is a conventional tunnel junction layer, and FIG. Shows the tunnel junction layer of the present invention.

従来は、図３（ａ）に示すように、接合しているトンネル接合層を構成するｐｎ接合層間を低抵抗で接続するため、高濃度に不純物ドーピングした層を挿入したトンネル接合が用いられている。トンネル接合層において小数キャリアが逆方向に拡散するのを防止するためには、太陽電池の活性層との伝導体のオフセット、価電子帯のオフセットが大きく取れるワイドギャップの材料を挿入することが望ましいが、このようなワイドギャップ材料で良好なトンネル接合を得るためには、概ね１０18ｃｍ-3以上の高濃度の不純物ドーピングを行う必要があり、不純物による欠陥の発生やそれに伴う少数キャリアの再結合、成長中のドーパントの拡散（オートドーピング）などの問題がある。 Conventionally, as shown in FIG. 3A, in order to connect the pn junction layers constituting the bonded tunnel junction layers with a low resistance, a tunnel junction in which a highly doped layer is inserted is used. Yes. In order to prevent the minority carriers from diffusing in the reverse direction in the tunnel junction layer, it is desirable to insert a wide gap material that can provide a large conductor offset and valence band offset with respect to the active layer of the solar cell. However, in order to obtain a good tunnel junction with such a wide gap material, it is necessary to perform impurity doping at a high concentration of approximately 10 18 cm −3 or more. There are problems such as bonding and diffusion of dopants during growth (autodoping).

そこで、本発明においては、図３（ｂ）に示すように、ｐｎ接合層間に中間ナローバンドギャップ層を挿入した。この構造によって、それぞれの少数キャリアが中間ナローバンドギャップ層の領域まで拡散できるようになり、ナローギャップを容易に通過して低抵抗のセル間接続が実現出来る。これによってトンネル層に用いている材料のバンドギャップや不純物濃度を従来よりも減らすことが可能になり、少数キャリアの再結合やオートドーピングの問題を軽減できる。またナローバンドギャップ材料に含まれるＳｂやＡｓなどイオン半径の大きなイオンの存在によって、面内にすべり転位の発生が起こり易くなるため、トンネル層の挿入によって生じた応力を層の面内方向に逃がして貫通転位の発生しにくくする効果もある。   Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 3B, an intermediate narrow band gap layer is inserted between the pn junction layers. With this structure, each minority carrier can diffuse to the region of the intermediate narrow band gap layer, and can easily pass through the narrow gap to realize low resistance inter-cell connection. As a result, the band gap and impurity concentration of the material used for the tunnel layer can be reduced as compared with the conventional case, and the problems of minority carrier recombination and autodoping can be reduced. In addition, the presence of ions having a large ion radius such as Sb and As contained in the narrow band gap material makes it easy for slip dislocations to occur in the plane, so that stress generated by insertion of the tunnel layer is released in the in-plane direction of the layer. It also has the effect of making it difficult for threading dislocations to occur.

このように中間ナローバンドギャップ層を挿入することによって、低抵抗で且つ過剰な不純物ドーピングによる少数キャリアの再結合などを低減することが可能になり、高い光電変換効率を持った多接合太陽電池を実現できる。   By inserting the intermediate narrow band gap layer in this way, it becomes possible to reduce the recombination of minority carriers due to low resistance and excessive impurity doping, and realize a multi-junction solar cell with high photoelectric conversion efficiency. it can.

１，１１ 裏面電極
２，１２ ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層
３，１３ Ｓｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層
４，１４ 第２のトンネル接合層
５，１５ ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層
６，１６ 第１のトンネル接合層
７，１７ ＩｎＧａＰからなる上部セル層
８，１８ ｎ型コンタクト層
９，１９ 表面電極
１０，２０ 反射防止膜
１４ａ 第２の中間ナローバンドギャップ層
１６ａ 第１の中間ナローバンドギャップ層
２１，１２１ ｐ型Ｇｅ基板
２２，１２２ ｎ型Ｇｅ層
４１，１４１ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
４２，１４２ Ｃドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層
５１，１５１ Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層
５２，１５２ Ｚｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層
５３，１５３ Ｓｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層
５４，１５４ Ｓｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層
６１，１６１ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
６２，１６２ Ｃドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層
７１，１７１ Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層
７２，１７２ Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層
７３，１７３ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
７４，１７４ Ｓｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層 1, 11 Back electrode 2, 12 Lower cell layer 3 including p-type Ge substrate 3, 13 Buffer layer 4, 14 made of Si-doped n-type (In) GaAs Second tunnel junction layer 5, 15 Intermediate cell made of InGaAs Layers 6 and 16 First tunnel junction layers 7 and 17 Upper cell layers 8 and 18 made of InGaP n-type contact layers 9 and 19 Surface electrodes 10 and 20 Antireflection film 14a Second intermediate narrow band gap layer 16a First intermediate Narrow band gap layer 21, 121 p-type Ge substrate 22, 122 n-type Ge layer 41, 141 Si-doped n-type InGaP layer 42, 142 C-doped p-type AlGaAs layer 51, 151 Zn-doped p-type InGaP layer 52, 152 Zn-doped p-type (In) GaAs layer 53,153 Si-doped n-type (In) GaAs layer 54,154 Sid N-type AlInP layers 61, 161 Si-doped n-type InGaP layers 62, 162 C-doped p-type AlGaAs layers 71, 171 Zn-doped p-type AlInP layers 72, 172 Zn-doped p-type InGaP layers 73, 173 Si Doped n-type InGaP layer 74, 174 Si-doped n-type AlInP layer

Claims (2)

バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、
前記ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、該トンネル接合層中に、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層を含み、
前記化合物半導体層がＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂであることを特徴とする多接合型太陽電池。 In a multi-junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series,
A compound semiconductor having a smaller bandgap energy than a compound semiconductor in which the pn junctions are connected via a tunnel junction layer and a pn junction is formed in the tunnel junction layer below the tunnel junction. only contains the layer,
The multi-junction solar cell, wherein the compound semiconductor layer is InSb or AlInSb . 前記化合物半導体層の厚さが、６Å以上１００Å以下であることを特徴とする請求項１に記載の多接合型太陽電池。   The multi-junction solar cell according to claim 1, wherein the compound semiconductor layer has a thickness of 6 to 100 mm.
JP2009227174A 2009-09-30 2009-09-30 Multi-junction solar cell Expired - Fee Related JP5481665B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009227174A JP5481665B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Multi-junction solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009227174A JP5481665B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Multi-junction solar cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011077293A JP2011077293A (en) 2011-04-14
JP5481665B2 true JP5481665B2 (en) 2014-04-23

Family

ID=44020970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009227174A Expired - Fee Related JP5481665B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Multi-junction solar cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5481665B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5629714B2 (en) 2012-03-19 2014-11-26 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
CN102651417B (en) * 2012-05-18 2014-09-03 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Three-knot cascading solar battery and preparation method thereof
JP5559370B1 (en) * 2013-02-01 2014-07-23 日本電信電話株式会社 Solar cell
JP6550691B2 (en) * 2013-07-30 2019-07-31 株式会社リコー Compound semiconductor solar cell
JP6477036B2 (en) * 2015-03-05 2019-03-06 住友電気工業株式会社 Semiconductor laminate and semiconductor device
GB201703196D0 (en) 2017-02-28 2017-04-12 Univ Of Sussex X-ray and gammay-ray photodiode
DE102018009744A1 (en) * 2018-12-14 2020-06-18 Azur Space Solar Power Gmbh Stacked monolithic upright metamorphic multiple solar cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4255211A (en) * 1979-12-31 1981-03-10 Chevron Research Company Multilayer photovoltaic solar cell with semiconductor layer at shorting junction interface
US5679963A (en) * 1995-12-05 1997-10-21 Sandia Corporation Semiconductor tunnel junction with enhancement layer

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011077293A (en) 2011-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12080820B2 (en) Group-IV solar cell structure using group-IV heterostructures
US11133429B2 (en) Group-IV solar cell structure using group-IV or III-V heterostructures
JP5425480B2 (en) Heterojunction subcell in inverted metamorphic multijunction solar cell
US10896990B2 (en) Group-IV solar cell structure using group-IV or III-V heterostructures
US11495705B2 (en) Group-IV solar cell structure using group-IV or III-V heterostructures
JP5481665B2 (en) Multi-junction solar cell
JP2015073130A (en) Four junction inverted metamorphic multi-junction solar cell with two metamorphic layers
US20190252567A1 (en) Photovoltaic device
KR20120088719A (en) Improved photocell
EP3579282B1 (en) Multi-layer back surface field layer in a solar cell structure
WO2016104711A1 (en) Solar battery
US10944022B2 (en) Solar cell with delta doping layer
US10903383B2 (en) Group-IV solar cell structure using group-IV or III-V heterostructures
JP2014220351A (en) Multi-junction solar cell
JP5283588B2 (en) Solar cell
JP2011077295A (en) Junction type solar cell
CN111430493A (en) Multi-junction solar cell and power supply equipment
JP2012054424A (en) Solar battery, and method of manufacturing the same
JP2013172072A (en) Two-junction solar cell
Dai et al. The investigation of wafer-bonded multi-junction solar cell grown by MBE
CN111276560B (en) Gallium arsenide solar cell and manufacturing method thereof
CN117542907A (en) Multi-junction solar cell structure

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120821

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130619

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130628

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130827

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140123

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5481665

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees